工业4.0时代

科技的飞速发展实现了人、设备和系统的智能互联。变频器也在这场新的工业革命中，不断升级为可用作工况监测的智能传感器。帮助企业全方位进行监测，及时发现潜在故障。并且掌控最佳维护期，降低成本损失，实现工业效益最大化。

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变频器的“智能升级之道”，驱动水行业工况监测新发展

今天小丹带大家了解水行业应用中工况监测需要的环节，以及变频器在工况监测中起到的作用。

嵌入式工况监测

工况监测是一种用来监测设备运行状态的技术。所以，在工况监测中要选择关键参数作为表征故障的指标。通常设备状况会随着时间的推移而变差，图1显示了一种典型的下滑模式，也称为PF曲线。当设备无法提供预期功能时，就表示发生了功能故障。基于工况维护的理念是，要在故障真正发生之前检测出潜在故障。这样就可以在出现功能故障之前规划维护措施，其诸多优势如下：缩短停机时间、避免非预期生产停止、维护优化、备件库存降低等。

图1：表示功能故障之前部件工况的 P-F 曲线

01振动水平监测

许多机械故障都会产生某种振动，例如轴承磨损、轴不对中、不平衡等。因此，振动监测已成为监测旋转设备的成熟先进技术。监测方法有很多种，包括基本的简单监测和高度复杂的监测。

其中一种被广泛使用的监测方法是振动速度RMS监测。该方法基于振动传感器所测量振动信号的RMS值。许多机械故障都对振动RMS有显著的影响，例如不平衡、轴不对中和松动问题。

然而，变速应用中的挑战是振动与实际转速的相关性。机械共振就是典型的例子，机械共振总是存在的，监测系统必须以某种方式来进行应对。通常，故障检测级别会设置为最坏的情况，以避免误报。这就降低了没有共振的转速区域内的检测精度。

如果为变频器安装并连接一个合适的振动传感器，就可以把传感器信号与转速等变频器内部信号，或者与应用相关的其他信号相关联，进而提供先进的监测。变频器可以在早期检测故障，并提供关于系统运行状况的交通灯信息（参见图1），在实现下一个可能的维护中断之前，这个系统仍然可以继续运行的同时，并提前准备和安排维护。

机械设备正常和故障状态下的振动水平还取决于传感器的类型、位置和安装。此外，它还随着要监测的实际应用而变化。

因此，变频器需要一个学习期。这可通过不同方式实现。第一种方法是学习运行初期的正常振动水平。即在应用正常运行的同时，变频器学习振动，而不影响运行。

收集到足够的数据时，变频器便开始监测振动。第二种方法是变频器可以执行识别运行。这种情况下，变频器以收集足够多数据的方式控制电机。使用第二种方法的可能性则取决于具体的应用情况。例如在供水系统中，泵在调试时不允许全速运行。

我们构建了一个测试装置来演示该功能。本次测试范围内的故障是电机轴不对中。轴不对中会增加轴承的机械载荷，从而降低轴承的使用寿命。此外，还会产生振动，从而可能在系统中产生二次效应。不对中的早期发现和校正可以延长轴承的使用寿命，避免停机。

图2显示了一个驱动小型泵的电机感应测试装置。使用红色手柄稍微抬高基板，可以产生一个角误差。并且在电机的基板上安装了一个振动传感器来演示这个概念。4-20 mA 传感器模拟信号已连接至变频器的模拟输入。

图3显示了在两种场景下测量的振动 (mm/s) 与电机转速 (RMS) 的关系。第一种情况下，系统运行状况良好。此状态下，执行了基线测量。根据测量的基线确定警告和报警阈值。对于故障场景，使用红色手柄稍微抬高电机基板，产生了轴不对中，故障状态下测量的振动以绿色显示。

在上面的示例中，变频器可以清楚检测到此故障。对于其他应用，基线数据可能有所不同。通常，即使在正常状态下，振动也与转速相关。监测时甚至还需要考虑共振点。不平衡、松动等其他故障类型会产生不同的模式。

02电气特征分析

电机和应用的状况也可以通过电气特征分析来进行监测。这项技术已经研究了多年。早期的研究涉及直接在线机器，后面还研究了变频器应用。随着当今变频器处理能力和存储空间的增加，这些技术现在可以作为功能集成到产品中。

图 4：电气特征分析

图4说明了这一基本概念。故障状态指标可以从电机电流和电压信号中提取。电流和电压的频率分量可能与电机或应用故障有关，如轴不对中或定子绕组故障等。电流和电压传感器无论如何都是变频器的基本部件，它们为控制电机提供必要的信号，这些信号可用于监测目的。因此，为了达到不增加额外的传感器成本的目的，信号处理和分析技术在这方面起着重要作用。

作为电机控制器的变频器可以关联特定的电流谐波等监测值，以及变频器内的其他可用信息。例如，了解了控制器的状态，变频器就知道何时可以执行有意义的频谱计算。与振动水平监测一样，还可以将监测值与电机转速、负载和其他相关过程数据（如水管中的压力）进行关联，以获得更准确的故障信息。

03泵中的负载监测

前面讲到变频器会测量电机电流和电压，其主要目的在于使用这些测量值来控制电机。基本电流和电压测量值用于计算电机功率、能量、实际电机转速或转矩等各种参数。这些数值可用于监测泵等设备的电机负载。

在负载取决于电机转速的应用中，转矩估计值可用于确定过载和欠载偏差。在基线期间，变频器“学习”负载的正态分布，或负载包络 （如图5所示） 。与之前的功能一样也存在与电机转速之间的关联性。监测过程中，变频器可以检测过载和欠载情况，这可能是由于泵应用中的故障导致，如：污垢、砂化、叶轮破裂、磨损或其他。在空气压缩机中，它可以检测泄漏，在风扇应用中，它可以检测空气过滤器堵塞。简而言之，任何对负载有影响的异常情况都可以通过这种方式进行监控。

图5：负载包络曲线

04实际工况监测

执行工况监测变频器的障碍是价格。在过去，只有关键系统才会配备工况检测，而现在，在非关键的应用中，变频器也可以完成此任务。

“智能变频器”解决啤酒厂废水处理难题

希腊佩特雷的喜力啤酒厂就是一个例子。它的容量为340万升，正在其污水厂进行工况监测试点。在废水处理方面，它使用了两台压缩机，功率为132千瓦。电机由2台VLT® AQUA Drive FC 202变频器控制，以监测电机和绕组的振动。

“在这种情况下，调试是相当容易的。我们升级了控制卡并启用了SW许可证。第二步是安装Hansford振动传感器，设置CBM参数，并启用对电机绕组、振动和负载包膜的监测。”丹佛斯产品经理Virgil Lupu说道。

“该项目一开始的目的是了解丹佛斯公司利用新的基于工况的监控功能可以提供什么，同时体验这些新的可能性，为未来创造新的策略。对喜力来说，检测这些压缩机非常重要，如果系统出现故障，当局可以关闭啤酒厂。”丹佛斯全球大客户经理René Grywnow补充。

工况监测可用于实现基于工况的维护，这是从修正性和预防性维护演变而来的。但是工况监测依赖于传感器数据；安装额外的传感器可能非常昂贵。然而，如果应用中已经使用了变频器，则这是一个有价值的数据源，可以用于工况监测，能够节省不必要的费用。

工业4.0的发展使得变频器从纯功率处理器件转变为智能元件，并且可以完成工况监测中的各种任务。丹佛斯变频器能够帮助工厂在出现功能故障之前规划维护措施，达到提前排除故障，降低成本的效果。未来，丹佛斯将继续致力于水行业发展，并提供更多功能强大的产品，不断为行业助力升级，帮助企业在智能化时代乘风破浪。

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